特開 2025-86574 燃料電池システム

(19)【発行国】日本国特許庁(JP)

(12)【公報種別】公開特許公報(A)

(11)【公開番号】P2025086574

(43)【公開日】2025-06-09

(54)【発明の名称】燃料電池システム

(51)【国際特許分類】

   H01M 8/0662 20160101AFI20250602BHJP

   H01M 8/04 20160101ALI20250602BHJP

   H01M 8/04701 20160101ALI20250602BHJP

   B01D 39/10 20060101ALI20250602BHJP

   B01D 46/79 20220101ALI20250602BHJP

   H01M 8/10 20160101ALN20250602BHJP

【ＦＩ】

H01M8/0662

H01M8/04 N

H01M8/04 Z

H01M8/04701

B01D39/10

B01D46/79

H01M8/10 101

【審査請求】未請求

【請求項の数】6

【出願形態】ＯＬ

(21)【出願番号】P 2023200648

(22)【出願日】2023-11-28

(71)【出願人】

【識別番号】000002082

【氏名又は名称】スズキ株式会社

(74)【代理人】

【識別番号】100099623

【弁理士】

【氏名又は名称】奥山 尚一

(74)【代理人】

【識別番号】100125380

【弁理士】

【氏名又は名称】中村 綾子

(74)【代理人】

【識別番号】100142996

【弁理士】

【氏名又は名称】森本 聡二

(74)【代理人】

【識別番号】100166268

【弁理士】

【氏名又は名称】田中 祐

(74)【代理人】

【識別番号】100217076

【弁理士】

【氏名又は名称】宅間 邦俊

(74)【代理人】

【識別番号】100169018

【弁理士】

【氏名又は名称】網屋 美湖

(72)【発明者】

【氏名】猪谷 秀幸

【テーマコード（参考）】

4D019

4D058

5H126

5H127

【Ｆターム（参考）】

4D019AA01

4D019AA02

4D019BA02

4D019BB07

4D019BC12

4D019CA10

4D019CB01

4D019CB04

4D019CB09

4D058JA12

4D058JB03

4D058MA12

4D058MA17

4D058SA20

4D058UA01

5H126BB06

5H127AA06

5H127AB04

5H127AC02

5H127BA02

5H127BB02

5H127BB07

5H127BB12

5H127BB18

5H127BB37

5H127CC07

5H127CC10

(57)【要約】

【課題】圧力損失が小さく、空気に存在する海水粒子を除去した空気を供給することができるフィルタを備えた燃料電池システムを提供する。
【解決手段】ガス供給を受けて発電する燃料電池２と、燃料電池２にガスを供給する酸化剤ガス供給配管１０と、酸化剤ガス供給配管１０に設けられガス中の不純物を除去するフィルタ１５と、を備えた燃料電池システム１であって、フィルタ１５は、金属製多孔体で構成され、所定の温度以上に加熱される。
【選択図】図１

【特許請求の範囲】

【請求項1】

ガス供給を受けて発電する燃料電池と、当該燃料電池にガスを供給するガス供給通路と、当該ガス供給通路に設けられガス中の不純物を除去するフィルタと、を備えた燃料電池システムであって、
前記フィルタは、金属製多孔体で構成され、所定の温度以上に加熱されることを特徴とする燃料電池システム。

【請求項2】

前記フィルタは、前記燃料電池が発電することによって生じる熱によって、前記所定の温度以上に加熱されることを特徴とする請求項１に記載の燃料電池システム。

【請求項3】

前記燃料電池が発電することによって生じる熱が、前記燃料電池を冷却する冷却水を介して前記フィルタに伝熱されることで、前記フィルタは前記所定の温度以上に加熱されることを特徴とする請求項２に記載の燃料電池システム。

【請求項4】

前記燃料電池が発電することによって生じる生成水を貯めるバッファタンクと、
前記バッファタンクに貯められた前記生成水を前記フィルタに放水する放水ノズルと、を有し、
前記バッファタンク及び前記放水ノズルは、前記フィルタよりも上方に配置され、
前記放水ノズルから前記生成水を前記フィルタに放水することを特徴とする請求項１から３のいずれか１項に記載の燃料電池システム。

【請求項5】

前記バッファタンクと前記放水ノズルとを接続する生成水供給通路と、前記生成水供給通路に設けられる電磁弁と、前記燃料電池の停止指示の信号を受信でき且つ前記電磁弁を制御する制御装置と、有し、
前記制御装置は、前記燃料電池の停止指示の信号を受信した場合は、前記電磁弁を開いて、前記生成水を前記フィルタに放水させ、前記燃料電池の停止指示の信号を受信していない場合は、前記電磁弁を閉じることを特徴とする請求項４に記載の燃料電池システム。

【請求項6】

前記金属製多孔体は、Ｎｉ、ＮｉＣｒ、ＮｉＳｎ、Ａｌ、Ｔｉ、真鍮、のいずれかで形成されていることを特徴とする請求項１から３のいずれか１項に記載の燃料電池システム。

【発明の詳細な説明】

【技術分野】

【0001】

本発明は、燃料電池と連通するガス流路に設けられてガス中の不純物を除去するフィルタを備えた燃料電池システムに関する。

【背景技術】

【0002】

燃料電池システムでは、アノード電極とカソード電極とで挟み込んで形成された発電セルを複数積層して構成された燃料電池のアノード電極側に燃料ガスとして水素ガスが供給されると共に、カソード電極側に酸化ガスとして空気が供給されることにより発電が行われる。そして、カソード電極に供給される酸化ガスとして大気中の酸素を用いるのが一般的であり、大気から取り込まれた空気が燃料電池のカソード電極に供給される。ところが、大気中には塵埃が含まれているので、燃料電池に供給される前に空気中の塵埃を除去する必要があり、従来は液体が含浸されたフィルタによって、塵埃は除去されていた（例えば、特許文献１参照）。

【先行技術文献】

【特許文献】

【0003】

【特許文献1】特開２００７－１０９５５５号公報

【発明の概要】

【発明が解決しようとする課題】

【0004】

ところで、沿岸地域で燃料電池システムを使用する場合は、大気中に含まれる空気に海水粒子が存在していることから、海水粒子を除去する必要がある。しかしながら、特許文献１に記載の燃料電池システムは、液体が含浸されたフィルタによって塵埃を除去していたため、海水粒子を除去できたとしても圧力損失が大きく発電能力が低下してしまうおそれがあった。一方、圧力損失を減らすために、含浸されている液体の量を減らすと、大気中に含まれる空気に存在している海水粒子を十分に取り除くことができないという課題があった。

【0005】

そこで、本発明は、圧力損失を抑制しつつ、空気に存在する海水粒子を除去した空気を供給することができるフィルタを備えた燃料電池システムを提供することを目的とする。

【課題を解決するための手段】

【0006】

本発明の一態様は、ガス供給を受けて発電する燃料電池と、該燃料電池と連通して該燃料電池にガスを供給するガス供給通路と、該ガス供給通路に設けられてガス中の不純物を除去するフィルタと、を備えた燃料電池システムであって、フィルタは、金属製多孔体で構成され、所定の温度以上に加熱される。

【発明の効果】

【0007】

本発明によれば、圧力損失を抑制しつつ、空気に存在する海水粒子を除去した空気を供給することができるフィルタを備えた燃料電池システムを提供することができる。

【図面の簡単な説明】

【0008】

【図1】本実施形態に係る燃料電池システムの構成図である。

【図2】本実施形態に係る燃料電池システムに用いるフィルタのモデル図である。

【図3】本実施形態に係る燃料電池システムに用いる放水ノズルの斜視図である。

【発明を実施するための形態】

【0009】

以下、図１を参照して、本実施形態に係る燃料電池システムについて説明する。図１は、本実施形態に係る燃料電池システムを示す構成図である。以下、本実施形態に係る燃料電池システム１は燃料電池車両の車載発電システムに適用される。ただし、燃料電池システム１は、燃料電池車両の車載発電システムに限らず、船舶，航空機，電車などの移動体への適用や、建物（住宅、ビル等）用の発電設備として用いられる定置用発電システムへの適用も可能である。

【0010】

燃料電池システム１は、固体高分子電解質膜をアノード電極とカソード電極とで挟み込んで形成されたセルを複数積層して構成される燃料電池２を備える。燃料電池２は、アノード電極に燃料ガスが供給されるとともに、カソード電極に酸化剤ガスが供給されることによって発電する。本実施形態では、燃料ガスとして水素を、酸化剤ガスとて空気を用いるケースについて説明する。

【0011】

燃料電池システム１は、燃料電池２に水素を供給するための図示しない水素系統と、燃料電池２に空気を供給するための空気系統３と、燃料電池２を冷却するための冷却系統４とを備えている。本実施形態に係る燃料電池システム１において、水素系統は公知の構成が用いられるため詳細な説明は省略するが、水素系統において、水素は、図示されない燃料タンクに貯蔵され、この燃料タンクから図示されない水素供給流路を介して燃料電池２に供給される。

【0012】

冷却系統４は、燃料電池２が発電することによって生じる熱を冷却する冷却水が循環する閉ループ状の冷却水路７を有しており、この冷却水路７には、冷却水を循環させる図示されない循環ポンプが設けられている。この循環ポンプを動作させることにより、冷却水路７内の冷却水が循環する。冷却水路７には、冷却水タンク８が設けられている。冷却水タンク８はバッファとして機能し、燃料電池２を冷却して温度が上昇した冷却水は冷却水路７を経由して、冷却水タンク８に貯留される。また、冷却系統４は、冷却水タンク８に並列に接続される図示しないラジエータを有している。このラジエータには、ラジエータを送風するファンが設けられており、冷却水が燃料電池２の冷却によって所定温度以上に上昇した場合は、冷却水がラジエータを流れラジエータによって冷却される。冷却された冷却水は、燃料電池２に供給される。燃料電池２を冷却して温度が上昇し、冷却水タンク８に戻ってきた冷却水の温度は略８０℃である。

【0013】

空気系統３において、カソード電極に供給される酸化剤ガスは空気が用いられ、酸化剤ガスとして用いられる空気は大気である。空気系統３は、燃料電池２に大気からの空気を供給するために用いられる酸化剤ガス供給配管１０と、燃料電池２から発電反応に使用された酸化剤ガスである空気を外部へ排出するために用いられる酸化剤ガス排出配管１１と、を有している。また、空気系統３は図示されないコンプレッサを有する。当該コンプレッサは大気中の空気を取り込むと共に加圧し、当該コンプレッサによって取り込まれ加圧された空気は、酸化剤ガス供給配管１０を介して燃料電池２に供給される。カソード電極で使用されて排出される空気は、酸化剤ガス排出配管１１を介して外部に排出される。酸化剤ガス供給配管１０は、本発明におけるガス供給通路である。

【0014】

本実施形態における燃料電池システム１は、大気から空気を取り込んで燃料電池２のカソード電極に供給しているが、大気中には塵埃が含まれているので、燃料電池２に供給する前に空気中の塵埃を除去する必要がある。そのため、空気系統３は、フィルタ１５を有したフィルタ部１４を備えている。フィルタ部１４は酸化剤ガス供給配管１０の取込口１２に設けられている。尚、図１においては、理解を容易にするため、フィルタ部１４は酸化剤ガス供給配管１０の取込口１２から離れた場所に配置されているが、本実施形態では、フィルタ部１４は酸化剤ガス供給配管１０の取込口１２に設けられている。尚、フィルタ部１４が酸化剤ガス供給配管１０に設けられて、カソード電極に供給される空気がフィルタ１５を通過すれば、フィルタ部１４は、燃料電池２と酸化剤ガス供給配管１０との間である酸化剤ガス供給配管１０の出口、酸化剤ガス供給配管１０の途中、酸化剤ガス供給配管１０の取込口１２のいずれに設けられていても構わない。

【0015】

フィルタ部１４は、フィルタ１５と、フィルタ１５を固定する固定枠１６を有する。フィルタ１５は略矩状に形成され、略矩形状のフィルタ１５の４辺は固定枠１６によって固定されている。フィルタ１５は、図２に示すように、３次元網目構造の金属製多孔体で構成されている。フィルタ１５を構成する金属製多孔体はＮｉで形成されている。尚、本実施形態では、フィルタ１５を構成する金属製多孔体はＮｉで形成されているが、ＮｉＣｒ、ＮｉＳｎ、Ａｌ、Ｔｉ、真鍮、のいずれかの金属で形成されていても構わない。固定枠１６は金属製であり、具体的には、Ａｌ製である。フィルタ１５の縦（空気の流れ方向の高さ）、横（空気の流れ方向に直交する幅）、厚さ（空気の流れ方向の厚さ）のサイズは、縦が２００ｍｍ、横が２００ｍｍ、厚さが３０ｍｍ～１００ｍｍである。

【0016】

本実施形態に係る燃料電池システム１は、燃料電池車両の車載発電システムに適用される。そのため、本実施形態に係る燃料電池システム１が適用された燃料電池車両は、当然に海岸近くの沿岸地域で使用さる場合がある。沿岸地域で燃料電池システム１が使用される場合、大気中に含まれる空気に海水粒子が存在していることから、海水粒子を除去する必要がある。そのため、本実施形態に係る燃料電池システム１は、次で述べる特徴を有している。

【0017】

燃料電池システム１は、冷却水タンク８に貯留された冷却水及びフィルタ部１４の固定枠１６に接続して、冷却水の温度をフィルタ１５に伝熱してフィルタ１５を加熱させる伝熱部材１７を有している。伝熱部材１７は、Ａｌ製の部材で形成されている。尚、伝熱部材１７は、Ａｌ製の部材で形成されているが、熱伝導が高い材料であれば他の材料によって形成されていても構わない。固定枠１６についても同様で、固定枠１６は、熱伝導が高い材料であれば他の材料によって形成されていても構わない。固定枠１６及び伝熱部材１７はＡｌ製であり、熱伝導が高い材料で形成されているため、冷却水の熱（略８０℃）をフィルタ１５に伝えて、フィルタ１５を加熱する。すなわち、フィルタ１５は、燃料電池２が発電することによって生じる熱を冷却する冷却水を介してフィルタ１５に伝熱されることで、所定の温度以上に加熱されている。フィルタ１５が、燃料電池２が発電することによって生じる熱を冷却する冷却水を介して所定の温度以上に加熱されているため、大気中に含まれる空気に海水粒子が存在していても、本実施形態のフィルタ１５によって海水粒子は除去される。

【0018】

図１を用いて、本実施形態のフィルタ１５の働きについて説明する。図１において、雲形で示す形状は空気Ａを示し、雲形で示す空気Ａの中に存在する丸は海水粒子Ｓを示す。沿岸地域で燃料電池システム１が使用される場合、フィルタ１５を通過する前の大気中に含まれる空気Ａには海水粒子Ｓが多く存在している。フィルタ１５は、燃料電池２が発電することによって生じる熱を冷却する冷却水を介して所定の温度（本実施形態では、８０℃）以上に加熱されている。そのため、フィルタ１５を通過する空気に含まれる海水粒子が、熱せられたフィルタ１５を構成する金属製多孔体と接することで水分が蒸発し、固体のＮａＣｌへ変化して金属製多孔体に付着し、その結果として燃料電池２には海水粒子が無くなった空気が供給される。

【0019】

本実施形態における燃料電池システム１は、燃料電池２が発電することによって生じる熱を冷却する冷却水を介して所定の温度以上に加熱されているフィルタ１５を有し、フィルタ１５によって大気中に含まれる空気の海水粒子Ｓは除去される。しかし、フィルタ１５には大気中に含まれる空気から除去したＮａＣｌが付着しているので、フィルタ１５に付着したＮａＣｌを洗い流す必要がある。そのため、本実施形態に係る燃料電池システム１は、次で述べる特徴を有している。

【0020】

燃料電池システム１は、酸化剤ガス排出配管１１に設けられた気液分離器２５と、気液分離器２５によって分離された生成水を貯留するバッファタンク２６と、バッファタンク２６に貯留された生成水をフィルタ１５に放水する放水ノズル３０を有している。放水ノズル３０には、生成水を放水するための複数のノズル孔３１が形成されている。気液分離器２５とバッファタンク２６との間には生成水排出配管２７が接続されている。燃料電池２から発電反応に使用された酸化剤ガスである空気には、発電によって生成される生成水が含まれている。気液分離器２５は、発電反応に使用され生成水が含まれている酸化剤ガスを生成水と生成水が含まれない空気とに分離する。気液分離器２５によって分離された生成水を含まない空気は酸化剤ガス排出配管１１によって大気に放出される。気液分離器２５によって分離された生成水は生成水排出配管２７によってバッファタンク２６に放出される。バッファタンク２６と放水ノズル３０との間には生成水供給配管２８が接続されている。生成水供給配管２８には電磁弁２９が設けられ、電磁弁２９の開閉によって、放水ノズル３０から生成水が放水されたり、されなかったりする。放水ノズル３０及びバッファタンク２６は、高さ方向において、フィルタ１５よりも上方に配置されている。より詳細には、放水ノズル３０の長手方向長さは、フィルタ１５の全域亘って放水できるように、放水ノズル３０及びバッファタンク２６は、高さ方向において、フィルタ１５及び固定枠１６を有するフィルタ部１４よりも上方に配置されている。フィルタ１５の横の長さと略同じになっている。放水ノズル３０及びバッファタンク２６は、高さ方向において、フィルタ１５よりも上方に配置されているため、動力を必要とするポンプがなくても、放水ノズル３０からフィルタ１５に生成水を放水することができ、生成水をフィルタ１５に放水することで、フィルタ１５に付着したＮａＣｌを洗い流すことができる。尚、生成水供給配管２８が、本発明における生成水供給通路である。

【0021】

燃料電池システム１は、電磁弁２９を制御する制御装置３５を有している。制御装置３５は、また、燃料電池車両をコントロールするＥＣＵ３６に接続し、ＥＣＵ３６から燃料電池２の停止支持の信号を受信することが可能である。制御装置３５は、次のような制御を行う。

【0022】

制御装置３５は、ＥＣＵ３６から燃料電池２の停止指示の信号を受信して所定時間経過した後、電磁弁２９を開く。本実施形態では、所定時間は５秒に設定されている。これにより、バッファタンク２６に貯留された生成水が放水ノズル３０からフィルタ１５に放水され、フィルタ１５に付着したＮａＣｌを洗い流すことができる。また、所定時間として５秒を設定することで、燃料電池２の停止指示直後では、大気中から燃料電池２の内部に向かう空気の流れが残っている状態であり、この時に放水ノズル３０で生成水を放水してしまうとＮａＣｌを含む飛沫が燃料電池２に流れてしまうことを抑制することができる。制御装置３５は、ＥＣＵ３６から燃料電池２の停止指示の信号を受信していない場合は、電磁弁２９を閉じる。

【0023】

本実施形態に係る燃料電池システム１は、ガス供給を受けて発電する燃料電池２と、燃料電池２と連通して燃料電池２にガスを供給する酸化剤ガス供給配管１０と、酸化剤ガス供給配管１０に設けられガス中の不純物を除去するフィルタ１５と、を備え、フィルタ１５は、金属製多孔体で構成され、所定の温度以上に加熱される。そのため、圧力損失を大きくせずに大気中に含まれる空気に存在している海水粒子を十分に取り除くことができた空気を燃料電池２に供給することができる。これにより、発電性能の低下を抑制でき、その結果、燃料電池２の長寿命化に貢献できる。尚、本実施形態では、フィルタ１５を所定の温度以上に加熱させるために、燃料電池２が発電することによって生じる熱を利用していたが、必ずしもこれに限定されない。例えば、車内空調用のコンプレッサ、燃料電池車両の車輪を駆動させるための駆動モータ、燃料電池車両の車輪を駆動させるための駆動モータを制御するインバータなどの他の発熱す機器を利用して、フィルタ１５を加熱させても構わない。

【0024】

本実施形に係る燃料電池システム１において、フィルタ１５は、燃料電池２が発電することによって生じる熱によって、所定の温度以上に加熱される。そのため、加熱専用のヒータを設けることなく、圧力損失を大きくせずに大気中に含まれる空気に存在している海水粒子を十分に取り除くことができた空気を燃料電池２に供給することができる。これにより、発電性能の低下を抑制でき、その結果、燃料電池２の長寿命化に貢献できる。尚、本実施形態では、フィルタ１５は、燃料電池２が発電することによって生じる熱を冷却する冷却水を介して、所定の温度以上に加熱されていたが、必ずしもこれに限定されない。燃料電池２が発電することによって生じる熱を冷却する冷却水ではなく、燃料電池２の高温となる他の部分を用いて、フィルタ１５を所定の温度以上に加熱しても構わない。

【0025】

本実施形に係る燃料電池システム１において、フィルタ１５は、燃料電池２が発電することによって生じる熱を冷却する冷却水を介して、所定の温度以上に加熱される。そのため、加熱専用のヒータを設けることなく、また、漏電のリスクも少なく、圧力損失を大きくせずに大気中に含まれる空気に存在している海水粒子を十分に取り除くことができた空気を燃料電池２に供給することができる。これにより、発電性能の低下を抑制でき、その結果、燃料電池２の長寿命化に貢献できる。また、冷却水によってフィルタ１５を加熱することは、フィルタ１５によって冷却水は冷却されることになるため、ラジエータを送風するファンの動作を軽減することができ、あるいは、ラジエータを使用せずに冷却水を冷却することができる。

【0026】

本実施形に係る燃料電池システム１は、燃料電池２が発電することによって生じる生成水を貯めるバッファタンク２６と、バッファタンク２６に貯められた生成水をフィルタ１５に放水する放水ノズルと、を有し、バッファタンク２６及び放水ノズル３０は、フィルタ１５よりも上方に配置され、放水ノズル３０から生成水をフィルタ１５に放水する。そのため、フィルタ１５の交換作業が不要となり、且つ、フィルタ１５の交換忘れによる致命的な出力低下も抑えられる。また、フィルタ１５に付着したＮａＣｌを洗い流す生成水は、燃料電池２から排出されるため、補給が不要である。尚、本実施形態では、専用の放水ノズル３０を設けて、フィルタ１５に生成水を放水するが、必ずしも、専用の放水ノズル３０を設ける必要はなく、例えば、固定枠１６であってフィルタ１５の上方に位置する部分（上部側固定枠）に生成水供給配管２８を接続し、当該上部側固定枠にノズル孔を形成して、当該上部側固定枠からフィルタ１５に生成水を放水する構成としても構わない。

【0027】

以上、本発明の実施形態及びその変形例について説明したが、本発明は上述の実施形態及び変形例に限定されるものではなく、本発明の技術的思想に基づいて更なる変形や変更が可能である。

【0028】

例えば、図１において、本実施形態では、酸化剤ガス排出配管１０は燃料電池の上部側に接続され、酸化剤ガス供給配管１１は燃料電池の下部側に接続されているが、必ずしも、これに限定されない。放水ノズル３０及びバッファタンク２６は、高さ方向において、フィルタ１５よりも上方に配置されていれば、酸化剤ガス排出配管１０は燃料電池の下部側に接続され、酸化剤ガス供給配管１１は燃料電池の上部側に接続されていても構わない。

【符号の説明】

【0029】

１…燃料電池システム
２…燃料電池
３…空気系統
４…冷却系統
７…冷却水路
８…冷却水タンク
１０…酸化剤ガス供給配管
１１…酸化剤ガス排出配管
１２…取込口
１４…フィルタ部
１５…フィルタ
１６…固定枠
１７…伝熱部材
２５…気液分離器
２６…バッファタンク
２７…生成水排出配管
２８…生成水供給配管
２９…電磁弁
３０…放水ノズル
３１…ノズル孔
３５…制御装置
３６…ＥＣＵ
Ａ…空気
Ｓ…海水粒子

【図1】

【図2】

【図3】